埃及伊蚊视觉威胁感知与逃避行为研究取得重要进展

《Cell Reports》：Visual threat avoidance while host seeking by Aedes aegypti mosquitoes

本文揭示埃及伊蚊（Aedes aegypti）在宿主寻找过程中对阴影的逃避行为及相关基因作用机制。

　　### 研究背景
埃及伊蚊（Aedes aegypti）是传播登革热、黄热病等多种疾病的重要媒介，每年致使数亿人感染。雌性埃及伊蚊为了繁殖需要吸食血液，在寻找宿主的过程中，它们会综合利用二氧化碳、体味、视觉线索和人体散发的红外线等多种感官线索。然而，宿主往往会采取防御措施，如挥手拍打，这就使得蚊子必须具备躲避威胁的能力以确保生存。

此前研究表明，夜行性蚊子如按蚊（Anopheles coluzzii）在黑暗中主要通过感知空气流动来察觉移动的威胁，而埃及伊蚊作为白天更活跃的蚊子，主要依赖视觉来逃避危险。目前，蚊子检测环境中视觉威胁的相关基因以及视觉威胁的光学特性如何影响蚊子逃避行为的机制尚不清楚。

实验设计

为了研究埃及伊蚊在宿主寻找和逃避视觉威胁之间的权衡，研究人员设计了一种定制的行为实验装置。该装置由一个 15 cm3 的网笼构成，网笼的前网被透明有机玻璃片替换，以便进行视频拍摄。笼子的后壁放置了带有人类气味的手套和能散发热量的红外 LED 灯，模拟人类宿主的吸引信号，使蚊子能够被吸引并落在后壁上。

通过编程控制电机驱动的遮光板在笼子前方来回移动，从而在笼子内投射出瞬态矩形阴影，模拟视觉威胁。实验过程中，利用近红外（850 nm）光照明，该波长的光不会被蚊子感知，避免对实验结果产生干扰。同时，开发了定制的视频跟踪脚本，用于准确记录蚊子的行为，包括它们在笼子后壁的着陆、行走、起飞等动作，以及对阴影刺激的反应。

实验结果

1. 快速移动的阴影引发逃避反应：在 230 lux 的白色光环境下进行实验，结果显示，快速移动（60 cm/s）的光暗阴影（OFF-edge shadow）会使蚊子迅速减少在笼子后壁的停留数量，引发大量起飞行为。当阴影消失后，大部分蚊子会在短时间内重新着陆并继续寻找宿主，这表明视觉威胁只是暂时中断了蚊子的宿主寻找行为。相比之下，在黑暗环境中，蚊子对快速移动的遮光板没有明显反应，证实了视觉输入对于蚊子逃避反应的重要性。
2. 静止和搜索状态的蚊子对视觉威胁反应相似：研究人员进一步分析了静止和正在搜索宿主的蚊子对视觉威胁的反应差异。结果发现，在没有阴影的情况下，蚊子更倾向于维持当前的静止或搜索状态；而在快速移动的阴影刺激下，无论是静止还是搜索状态的蚊子，都有很高的概率发起起飞逃避反应，这说明两种状态的蚊子对视觉威胁的敏感性相近。
3. 阴影而非光强度变化是引发逃避的主要因素：为了确定蚊子对阴影的反应是源于阴影本身还是其他相关因素，研究人员进行了一系列对照实验。结果表明，快速变化的光强度（如灯光闪烁）、移动遮光板产生的声音振动以及移动遮光板本身（不产生阴影）都不会像阴影那样引发蚊子强烈的逃避反应。快速移动的 OFF-edge 阴影引发的起飞反应最为显著，ON-edge 阴影引发的反应相对较弱，且速度较慢的 ON-edge 阴影引发的厌恶反应更小。这表明蚊子主要对移动的阴影做出逃避反应，且 OFF-edge 阴影的威胁性更大。
4. 阴影速度影响逃避反应：研究人员还探讨了阴影速度对蚊子逃避反应的影响。结果显示，OFF-edge 阴影的速度显著影响蚊子的起飞概率，速度越快，引发的逃避反应越强烈。即使是速度较慢的 OFF-edge 阴影，也能使部分蚊子产生短暂的静止或起飞反应。此外，阴影的方向相对于蚊子的朝向对其厌恶程度没有明显影响，无论蚊子朝向哪个方向，面对 OFF-edge 阴影时都有相似的逃避倾向。
5. 视觉威胁的影响具有短暂性：对于经历视觉威胁的蚊子，研究人员观察了它们在威胁消失后对宿主区域的偏好变化。结果发现，尽管蚊子在受到阴影刺激后会短暂地偏向笼子的一侧，但很快就会恢复对整个笼子区域的均匀分布，这表明局部的视觉威胁不会导致蚊子对特定区域产生持续的厌恶。
6. 埃及伊蚊在低光环境下仍能躲避阴影：在低光环境下（低至 4 lux）进行实验，发现埃及伊蚊仍然能够对移动的阴影产生强烈的起飞反应。这表明埃及伊蚊的视觉系统非常敏感，即使在光线昏暗的条件下也能有效检测到威胁。
7. 雄性和非宿主寻找的雌性蚊子也对视觉威胁有反应：研究人员发现，雄性埃及伊蚊在接触到宿主气味时参与实验的比例较低，但在饥饿并提供蔗糖溶液的情况下，其参与率会有所提高。雄性蚊子在着陆后大多保持静止，但与雌性蚊子一样，它们也能对快速移动的阴影做出反应，尽管反应程度相对较低。此外，非宿主寻找的雌性蚊子（被蔗糖吸引并保持静止）在面对阴影时也会发起起飞反应，这表明埃及伊蚊对视觉威胁的反应在性别和宿主寻找状态上具有一定的一致性。
8. TRP 通道在强光下对视觉威胁检测至关重要：通过 CRISPR-Cas9 技术构建了埃及伊蚊 TRP 通道的突变体。电生理实验（ERG recordings）表明，突变体在强光（1000 lux 和 230 lux）下对光的反应减弱，但在低光下仍能保持一定的反应。行为实验显示，在 230 lux 的光照下，TRP 突变体对快速移动的阴影反应明显减弱，但在低光环境下，其反应与野生型相似。这说明 TRP 通道主要在强光条件下对埃及伊蚊检测威胁性阴影起重要作用。
9. Opsin 1 和 Opsin 2 在低光下参与视觉威胁检测：埃及伊蚊的复眼表达五种视蛋白（rhodopsins），其中 Opsin 1（Op1）和 Opsin 2（Op2）是研究的重点。单独突变 Op1 或 Op2 对蚊子的 ERG 反应和光驱动行为影响较小，但同时突变 Op1 和 Op2 会损害蚊子在低光强度下对 OFF-edge 阴影的检测能力，而在高光强度下，突变体对阴影的反应与野生型相似。这表明 Op1 和 Op2 共同作用，主要在低光条件下对蚊子检测视觉威胁发挥作用。

研究讨论

1. 宿主寻找与视觉威胁的权衡：雌性埃及伊蚊在寻找宿主获取血液以繁殖后代的过程中，面临着来自宿主的攻击风险。本研究中模拟的快速移动阴影代表了一种常见的视觉威胁，蚊子对此会做出迅速的逃避反应。这种逃避行为只是暂时的，威胁消失后蚊子会重新回到宿主寻找状态，体现了它们在生存需求和繁殖需求之间的平衡。雄性埃及伊蚊虽然不吸食血液，但也能对视觉威胁做出反应，只是反应程度低于雌性，这可能与雌性特有的宿主寻找行为使其对环境危险更为敏感有关。
2. 埃及伊蚊对阴影的感知机制：埃及伊蚊对阴影的反应主要源于阴影的移动边缘，而非光强度的变化。快速移动的 OFF-edge 阴影比 ON-edge 阴影更具威胁性，这可能与自然界中捕食者接近时通常会遮挡光线，产生 OFF-edge 阴影有关。埃及伊蚊的视觉系统能够区分 ON 和 OFF 边缘，尽管目前其具体的处理机制尚不完全清楚，但研究结果为进一步探究蚊子的视觉感知提供了重要线索。
3. 光转导蛋白对视觉威胁检测的差异影响：研究不同光转导突变体（Op1、Op2 和 TRP）对埃及伊蚊检测移动视觉威胁能力的影响时发现，它们具有不同的作用模式。TRP 突变体在强光下无法有效检测阴影，而 Op1 和 Op2 单独突变对阴影反应影响不大，只有同时突变才会在低光下出现缺陷。这表明在埃及伊蚊的视觉系统中，不同的光转导蛋白在不同的光照条件下协同作用，共同完成对视觉威胁的检测。与果蝇（Drosophila melanogaster）相比，埃及伊蚊的视觉系统可能存在独特之处，例如 R7 和 R8 细胞在运动视觉中的作用可能更为重要。
4. 埃及伊蚊视觉系统的特点：埃及伊蚊复眼的横纹肌（rhabdomeres）呈闭合结构，这种结构与果蝇的开放结构不同，可能有助于在低光条件下增强光子捕获能力，但会牺牲一定的视觉 acuity。这种结构特点使得埃及伊蚊能够在非常昏暗的环境中检测到威胁性的视觉线索，适应其生存环境。
5. 研究的局限性：尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。由于技术限制，无法确定蚊子对阴影敏感性的下限，实验中只测试了一种阴影形状，其他形状的阴影可能会对蚊子产生不同的影响。此外，对于一些实验结果，如埃及伊蚊 TRP 突变体在强光下的 ERG 反应机制，目前还无法给出合理的解释。同时，虽然确定了一些参与视觉威胁检测的基因，但对于负责运动视觉的神经回路仍知之甚少，有待进一步研究。

研究展望

本研究为深入理解埃及伊蚊的视觉威胁感知和逃避行为提供了重要依据。未来的研究可以进一步探究埃及伊蚊视觉系统中其他基因和神经元的作用，以及它们如何协同工作来处理复杂的视觉信息。此外，开发针对埃及伊蚊视觉系统的控制策略，如干扰其视觉威胁检测能力，可能为蚊虫防治提供新的思路和方法，有助于减少埃及伊蚊传播疾病的风险，保障人类健康。<